扫描电镜工作原理：背散射电子的检测

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扫描电镜工作原理：背散射电子的检测

背散射电子的发射半导体探测器的物理性质扫描电镜中半导体探测器的电子电路扫描电镜（SEM）中半导体探测器的噪声参考文献

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扫描电镜工作原理：背散射电子的检测

背散射电子（BSE）是由入射电子束与原子核的弹性散射或非弹性散射所产生的高能电子。背散射电子（BSE）的产率，即出射的背散射电子（BSE）数与入射电子数之比，取决于样品平均原子序数：平均原子序数越高，或元素越重，衬度就越亮。在飞纳台式扫描电镜中，背散射电子是通过放置在样品上方的四分割半导体探测器检测到的。在这篇文章中，将解释什么是半导体探测器，以及如何在扫描电镜下检测背散射电子。

背散射电子的发射

当入射电子击中样品表面时，入射电子与原子的原子核相互作用，并偏离其轨迹，如图 1 所示。

图1：入射电子与原子核相互作用后散射的示意图

如果条件合适，入射电子可以被散射回来，并脱离样品表面，保持其高能量。一般来说，较重的元素，因为它们的原子核较大，可以比较轻的元素更强烈地偏转入射电子。因此，在扫描电镜图像中，像银这样的重元素（原子序数为 47）与原子序数为 14 的轻元素（如硅）相比显得更加明亮，因为更多的背散射电子从样品表面发射出来。

图 2 显示了银和硅之间的背散射电子（BSE）图像的对比。这张图片显示了一个太阳能电池板的区域，白色区域是银，黑色区域是硅。

太阳能电池板的扫描电镜（SEM）图像，白色区域为银，黑色区域为硅

图2：太阳能电池板的扫描电镜（SEM）图像，白色区域为银，黑色区域为硅

但是如何在扫描电镜中检测到背散射电子呢?

半导体探测器的物理性质

通常用固态（或半导体）探测器进行背散射电子（BSE）的检测。这些由掺杂的半导体材料（通常是硅）组成，并直接置于样品上方，如图 3 所示。半导体探测器的工作原理是利用入射的背散射电子（BSE）在半导体中产生电子空穴对。简而言之：撞击探测器的背散射电子（BSE）激发硅电子，形成电子空穴对。

在硅中形成电子空穴对，需要 3.6 eV 的能量，产生的电子空穴对的数量与入射电子的能量及数量成正比。此外，半导体探测器只对高能电子敏感，这也是为什么它们只用于探测背散射电子的原因。

图 3：半导体探测器示意图 ^[1]

扫描电镜中半导体探测器的电子电路

从入射的背散射电子中产生的电子空穴对可以在重组前被分离，从而产生电流。这种电流可以通过电子电路来测量，该电路是具有输入电阻和反馈电阻的运算放大器，如图 3 所示。

在这里，探测器为电荷收集电流发生器（Icc），与掺杂硅（Rd 和 Cd）的 p-n 结处形成的损耗层的电阻和电容平行，与半导体（Rs）的内部电阻串联。由于放大器对于较大的 RF/Re 值会变得不稳定，所以在反馈回路中增加了额外的电容，以防止放大器振荡。

图4：半导体探测器系统的电子电路 ^[1]

扫描电镜（SEM）中半导体探测器的噪声

半导体探测器噪声的主要来源是入射的背散射电子（BSE）电流和前置放大器的噪声。入射电子束的噪声是由入射的电子数量的波动引起的。前置放大器的噪声是热噪声，也叫约翰逊-尼奎斯特噪声，它与波尔兹曼常数和电阻的温度成正比。

参考文献

[1]. Scanning Electron Microscopy, Physics of Image Formation and Microanalysis, L. Reimer, Springer edition, 1998.

背散射电子的发射

当入射电子击中样品表面时，入射电子与原子的原子核相互作用，并偏离其轨迹，如图 1 所示。

图1：入射电子与原子核相互作用后散射的示意图

图 2 显示了银和硅之间的背散射电子（BSE）图像的对比。这张图片显示了一个太阳能电池板的区域，白色区域是银，黑色区域是硅。

图2：太阳能电池板的扫描电镜（SEM）图像，白色区域为银，黑色区域为硅

但是如何在扫描电镜中检测到背散射电子呢?

半导体探测器的物理性质

图 3：半导体探测器示意图 ^[1]

扫描电镜中半导体探测器的电子电路

图4：半导体探测器系统的电子电路 ^[1]

扫描电镜（SEM）中半导体探测器的噪声

参考文献

[1]. Scanning Electron Microscopy, Physics of Image Formation and Microanalysis, L. Reimer, Springer edition, 1998.